|
Spanningspieken op netleidingen en internetkabels, als gevolg van blikseminslag, kunnen grote schade aanrichten aan uw elektronische apparatuur. In dit artikel wordt ingegaan op het ontstaan en het bestrijden van dit verschijnsel.
|
Blikseminslag en de gevolgen daarvan
TV's en PC's defect?
Het is weliswaar geen dagelijks nieuws, maar af en toe verschijnt er toch een sappig artikeltje in een lokale krant waarin wordt gemeld dat in een buurt tientallen TV's en PC's beschadigd werden als gevolg van blikseminslag.
Waarheid of verzinsel?
Het kan inderdaad gebeuren dat, als gevolg van blikseminslagen op of in de buurt van ondergrondse netspanningsleidingen, op de netspanning in uw huis vrij grote spanningspieken ontstaan. Hoewel deze pieken zeer smal zijn, zie de onderstaande figuur, kunnen zij schade aan gevoelige apparatuur veroorzaken. De amplitude van een dergelijke piek kan zelfs zo groot zijn dat de contacten van open netschakelaars door een vonk overbrugd worden en het onmogelijke gebeurt. Een computer, die was uitgeschakeld, blijkt het na een blikseminslag in de buurt het niet meer te doen!
 |
| Een smalle overspanningspiek op de netspanning. (© 2023 Jos Verstraten) |
LEMP
Dergelijke verschijnselen worden in de vakliteratuur 'LEMP' genoemd. Dat is het letterwoord van 'Lightning ElectroMagnetic Pulse'. Alle schade die rechtstreeks of onrechtstreeks wordt veroorzaakt door de bliksem valt onder dit begrip.
Alle netstekkers er uit trekken?
Ondanks waarschuwingen die af en toe in de kranten verschijnen en die duidelijk stellen dat de enige manier om schade door bliksem te vermijden is de netstekkers van alle niet gebruikte apparatuur uit de wandcontactdozen te trekken, zullen maar weinig mensen dit doen. Dat is immers zo'n gedoe en in onze moderne tijd is het zelfs een beetje achterlijk om bang te zijn voor de bliksem. Wij moeten dus naar andere oplossingen zoeken om bliksemschade te beperken.
Wat is bliksem?
Bliksem is een elektrische ontlading in de atmosfeer die zal optreden als er een groot potentiaalverschil is opgebouwd tussen de aarde en een wolkenformatie. Het is een uitermate ingewikkeld proces en het is niet de bedoeling in dit artikel daar verder op in te gaan. Wat in dit kader echter wél belangrijke is om te weten is over hoeveel spanning en stroom wij het eigenlijk hebben en hoe lang het verschijnsel duurt. De spanning over een bliksemontlading kan 20 tot 100 miljoen volt bedragen en de stroomsterkte kan tot 100.000 ampère stijgen. In de kern van de bliksem kan de temperatuur oplopen tot 30.000 °C, een temperatuur die ongeveer zes maal hoger is dan die van het oppervlak van de zon. De duur van de ontlading is echter kort en ligt in de buurt van 1 ms.
 |
| Dubbele blikseminslag in de aarde. (© Wikimedia.org) |
Schade door rechtstreekse blikseminslag
U kent de fundamentele wet dat vermogen gelijk is aan spanning vermenigvuldigd met stroom. Als de bliksem dus ergens inslaat wordt er een onvoorstelbare hoeveelheid vermogen gedissipeerd in een fractie van een seconde. Het zal duidelijk zijn dat daar erg weinig tegen te doen valt, zelfs in een huis dat beveiligd is met een bliksemafleider. In de onderstaande figuur wordt dit verduidelijkt. Wij nemen deze en volgende figuren in bewerkte vorm over uit een brochure van Stagobel Electro, een Vlaams bedrijf dat is gespecialiseerd in de bestrijding van bliksem.
Stel dat de aardingsweerstand van de elektrische aarding in een huis gelijk is aan 1 Ω. Stel dat de bliksem invalt op de bliksemafleider op het dak en dat er een bliksemstroom van 100 kA afvloeit naar de aarde. Deze stroom zal over de aardingsweerstand een spanning genereren van niet minder dan 100 kV! Dat betekent dat alle metalen voorwerpen die in dat huis zijn verbonden met de aarding op deze spanning komen te staan. Tussen het chassis van bijvoorbeeld uw desktop PC en de 230 V netspanning staat dus even een spanning van 100 kV. Het zal duidelijk zijn dat dit apparaat een dergelijke gebeurtenis niet overleeft.
 |
| De gevolgen van een rechtstreekse blikseminslag. (© Stagobel Electro, edit 2023 Jos Verstraten) |
Schade door blikseminslag in de buurt
Zoals uit de vorige figuur blijkt kan het voorkomen dat door een blikseminslag op een huis de extreem hoge spanning die op de aarding ontstaat via een vonkontlading overslaat op de fase en de nul van uw elektriciteitsaansluiting. Nu heeft dat net uiteraard een vrij lage impedantie en een bepaalde zelfinductie en deze zullen ervoor zorgen dat een groot deel van deze zeer korte spanningspuls wordt geabsorbeerd. Maar tóch kan het voorkomen dat in uw meterkast een zeer korte spanningspuls van tientallen kV ontstaat als de bliksem op een huis in uw buurt inslaat. De vraag is of uw apparatuur dat overleeft!
 |
| De gevolgen van een blikseminslag in uw buurt. (© Stagobel Electro, edit 2023 Jos Verstraten) |
Schade door inductieve koppeling
Het is algemeen bekend dat rond een wisselstroom voerende geleider een elektromagnetisch veld ontstaat. Het bliksemkanaal door de lucht is heel even zo'n soort geleider want de korte, steile bliksemontlading wekt een stroompuls op die veel HF-stromen bevat. De steilheid wordt uitgedrukt door de zogenaamde 'bliksemstroom steilheid' die een waarde kan hebben tussen 10 en 20 kA/μs. Vanwege de grootte van deze stroom is het elektromagnetisch veld heel sterk. Dit veld wekt in ieder voorwerp in de buurt dat elektrische stroom geleidt een inductiespanning op. Dit is te vergelijken met de werking van een transformator. Deze inductieve koppeling zorgt voor korte, hoge spanningspieken in alle kabels die in de grond of in uw huis liggen. Dat betekent dat niet alleen 230 V kabels hier last van hebben, maar ook alle koperen internet- en telefoonkabels. Via deze kabels komen deze spanningspulsen op uw apparatuur terecht.
 |
| Schade door inductieve koppeling. (© Stagobel Electro, edit 2023 Jos Verstraten) |
Schade door capacitieve koppeling
Tussen de ene geleider, het bliksemkanaal, en de tweede geleider, een kabel in de grond, zit een isolerende laag, de lucht. Dat is de definitie van een condensator. Een potentiaalverandering op de ene 'plaat' zorgt voor een potentiaalverandering op de andere 'plaat'. Vanwege de zeer hoge potentiaalveranderingen in het bliksemkanaal moet u met deze capacitieve koppeling tóch rekening houden.
Common mode en differential mode overspanning
Inductieve en capacitieve koppeling kan plaatsvinden tussen de fase en de nul enerzijds en de aarding anderzijds. Het is echter ook mogelijk dat de overspanning ontstaat tussen de fase en de nul. In het eerste geval spreekt men van 'common mode' overspanning, in het tweede geval van 'differential mode' overspanning. Bij het invoeren van maatregelen die schade door bliksem moet voorkomen of beperken moet u rekening houden met beide vormen van overspanning.
Potentiaalvereffening
Het basisprincipe van iedere bliksembeveiliging is ervoor zorgen dat het potentiaalverschil tussen alle metalen elektriciteit geleidende voorwerpen in uw huis zo klein mogelijk is. Dit noemt men 'potentiaalvereffening'. Als de bliksem inslaat op uw dak en uw aarding op kV's komt te staan moet de potentiaalvereffening ervoor zorgen dat ook de fase en de nul in uw installatie even op een dergelijk hoge spanning komen te staan.
Overspanningsafleider absoluut noodzakelijk
Een goede potentiaalvereffening kunt u realiseren door in uw meterkast een 'overspanningsafleider' aan te brengen. Zo'n apparaat zorgt ervoor dat er nooit een groot spanningsverschil kan ontstaan tussen de aarding in uw huis en de fase en de nul van uw netspanning. Bij een blikseminslag slaat die afleider even door, waardoor ook de fase en de nul op een hoge spanning komen te staan. Er ontstaan dan geen grote spanningsverschillen in uw apparatuur, zodat daarin geen vernietigende overslag kan optreden.
In de onderstaande afbeelding ziet u hoe zo'n overspanningsafleider er uitziet.
Decentrale maatregelen
Een goede overspanningsafleider in de meterkast is een voorwaarde voor een goede beveiliging tegen bliksemschade. Maar dat is uiteraard niet altijd mogelijk, bijvoorbeeld omdat u een studentenkamer huurt en de centrale meterkast niet voor u bereikbaar is. U kunt dan tóch heel veel schade voorkomen door decentrale maatregelen te treffen bij kostbare of waardevolle apparaten die u wilt beschermen. Dat komt er op neer dat u ingrijpt in de netspanningsinvoer waarmee een apparaat is verbonden met het 230 V net. Er zijn daarvoor speciale onderdelen ontwikkeld zoals:
- Vonkbruggen (spark gaps).
- Edelgas gevulde overspanningsbeveiligingen.
- Transiënt Voltage Suppressor diodes (TVS).
- Voltage Dependent Resistors (VDR).
- Thyristor Surge Protection Devices (TSPD).
Gesloten vonkbruggen
Een gesloten vonkbrug bestaat uit twee stevige geleiders die aan weerszijden van een isolator zijn gemonteerd. De constructie is ondergebracht in een zeer stevige behuizing. Het materiaal en de dikte van de isolerende stof bepalen bij welke spanning de vonkbrug gaat doorslaan. Bij het in de onderstaande figuur voorgestelde model TFS-923-023 van DEHN SE + Co KG bedraagt deze spanning 4 kV. Deze vonkbrug is in staat een stroom van 100 kA gedurende 350 μs te weerstaan. De nominale wisselspanning over het onderdeel moet kleiner zijn dan 300 V. Hoewel u het er niet aan afziet moet u voor zo'n onderdeeltje het sappige bedrag van € 81,54 neertellen.
Open vonkbruggen
Open vonkbruggen worden bijvoorbeeld gebruikt door Tennet en ProRail om hoogspanningslijnen en de bovenleiding van de trein te beschermen tegen blikseminslag. Daar krijgt u uiteraard nooit mee te maken. Een iets lager bij de grondse toepassing van een open vonkbrug is het beschermen van schrikdraad installaties tegen blikseminslag. In de onderstaande foto is een dergelijk onderdeel voorgesteld van het merk AKO. De beugel wordt op een paal geschroefd waar ook het schrikdraad is op gevestigd. Punt A gaat via een dikke koperen draad naar een aardpen, punt B gaat naar de hoogspanningsgenerator en punt C naar de schrikdraad. Het spoeltje tussen de contacten B en C moet met haar impedantie en haar tegenwerking van plotselinge spanningsvariaties voorkomen dat de bliksemspanning naar de generator gaat in plaats van naar de vonkbrug.
De twee elektroden van de vonkbrug zijn in V-vorm uitgevoerd. Dit zorgt ervoor dat de vonk zelfdovend is. Door de hoge temperatuur in de vonk wordt de omgevingslucht opgewarmd. Deze lucht stijgt op tussen de elektroden en voert de vonk mee naar de open zijde van de V. Daar is de afstand tussen de elektroden zo groot dat de vonk zich niet kan handhaven en uitdooft.
Niet nieuw
 |
| Common mode en differential mode overspanning. (© 2022 Phœnix Contact) |
Het voorkomen van bliksemschade
Potentiaalvereffening
Het basisprincipe van iedere bliksembeveiliging is ervoor zorgen dat het potentiaalverschil tussen alle metalen elektriciteit geleidende voorwerpen in uw huis zo klein mogelijk is. Dit noemt men 'potentiaalvereffening'. Als de bliksem inslaat op uw dak en uw aarding op kV's komt te staan moet de potentiaalvereffening ervoor zorgen dat ook de fase en de nul in uw installatie even op een dergelijk hoge spanning komen te staan.
Overspanningsafleider absoluut noodzakelijk
Een goede potentiaalvereffening kunt u realiseren door in uw meterkast een 'overspanningsafleider' aan te brengen. Zo'n apparaat zorgt ervoor dat er nooit een groot spanningsverschil kan ontstaan tussen de aarding in uw huis en de fase en de nul van uw netspanning. Bij een blikseminslag slaat die afleider even door, waardoor ook de fase en de nul op een hoge spanning komen te staan. Er ontstaan dan geen grote spanningsverschillen in uw apparatuur, zodat daarin geen vernietigende overslag kan optreden.
In de onderstaande afbeelding ziet u hoe zo'n overspanningsafleider er uitziet.
 |
| De installatie van een overspanningsafleider in uw meterkast. (© Stagobel Electro, edit 2023 Jos Verstraten) |
Decentrale maatregelen
Een goede overspanningsafleider in de meterkast is een voorwaarde voor een goede beveiliging tegen bliksemschade. Maar dat is uiteraard niet altijd mogelijk, bijvoorbeeld omdat u een studentenkamer huurt en de centrale meterkast niet voor u bereikbaar is. U kunt dan tóch heel veel schade voorkomen door decentrale maatregelen te treffen bij kostbare of waardevolle apparaten die u wilt beschermen. Dat komt er op neer dat u ingrijpt in de netspanningsinvoer waarmee een apparaat is verbonden met het 230 V net. Er zijn daarvoor speciale onderdelen ontwikkeld zoals:
- Vonkbruggen (spark gaps).
- Edelgas gevulde overspanningsbeveiligingen.
- Transiënt Voltage Suppressor diodes (TVS).
- Voltage Dependent Resistors (VDR).
- Thyristor Surge Protection Devices (TSPD).
Vonkbruggen (spark gaps)
Gesloten vonkbruggen
Een gesloten vonkbrug bestaat uit twee stevige geleiders die aan weerszijden van een isolator zijn gemonteerd. De constructie is ondergebracht in een zeer stevige behuizing. Het materiaal en de dikte van de isolerende stof bepalen bij welke spanning de vonkbrug gaat doorslaan. Bij het in de onderstaande figuur voorgestelde model TFS-923-023 van DEHN SE + Co KG bedraagt deze spanning 4 kV. Deze vonkbrug is in staat een stroom van 100 kA gedurende 350 μs te weerstaan. De nominale wisselspanning over het onderdeel moet kleiner zijn dan 300 V. Hoewel u het er niet aan afziet moet u voor zo'n onderdeeltje het sappige bedrag van € 81,54 neertellen.
 |
| Een voorbeeld van een gesloten vonkbrug. (© DEHN SE + Co) |
Open vonkbruggen
Open vonkbruggen worden bijvoorbeeld gebruikt door Tennet en ProRail om hoogspanningslijnen en de bovenleiding van de trein te beschermen tegen blikseminslag. Daar krijgt u uiteraard nooit mee te maken. Een iets lager bij de grondse toepassing van een open vonkbrug is het beschermen van schrikdraad installaties tegen blikseminslag. In de onderstaande foto is een dergelijk onderdeel voorgesteld van het merk AKO. De beugel wordt op een paal geschroefd waar ook het schrikdraad is op gevestigd. Punt A gaat via een dikke koperen draad naar een aardpen, punt B gaat naar de hoogspanningsgenerator en punt C naar de schrikdraad. Het spoeltje tussen de contacten B en C moet met haar impedantie en haar tegenwerking van plotselinge spanningsvariaties voorkomen dat de bliksemspanning naar de generator gaat in plaats van naar de vonkbrug.
De twee elektroden van de vonkbrug zijn in V-vorm uitgevoerd. Dit zorgt ervoor dat de vonk zelfdovend is. Door de hoge temperatuur in de vonk wordt de omgevingslucht opgewarmd. Deze lucht stijgt op tussen de elektroden en voert de vonk mee naar de open zijde van de V. Daar is de afstand tussen de elektroden zo groot dat de vonk zich niet kan handhaven en uitdooft.
 |
| Een voorbeeld van een open vonkbrug. (© AKO) |
Edelgas gevulde overspanningsbeveiligingen
Niet nieuw
Deze onderdelen zijn alles behalve nieuw en werden reeds in de begintijd van de radio gebruikt om de lange horizontale draadantennes in de tuinen en tussen de gevels tegen de gevolgen van blikseminslag te beschermen. Het uiterlijk en het symbool van dergelijke onderdelen is voorgesteld in de onderstaande figuur. De beide elektroden zijn voorzien van een materiaal dat de emissie van elektronen vergemakkelijkt. Om de reactiesnelheid van de buis te vergroten wordt soms een ontsteekhulpelektrode aan de binnenzijde van het buisje aangebracht. De elektrische eigenschappen van de gasgevulde overspanningsafleider worden voornamelijk bepaald door de gassoort, de gasdruk en het activeringsmateriaal.
De karakteristiek van een edelgas gevulde overspanningsbeveiliging
Het onderdeel maakt gebruik van de eigenschappen van een gasontlading. In de onderstaande figuur is aan de hand van een sinus het gedrag van een edelgas gevulde overspanningsbeveiliging weergegeven. In de bovenste grafiek is de spanning over het onderdeel getekend, in de onderste de stroom door het buisje. Is de spanning gestegen tot de ontsteekspanning (punt A), dan ontstaat er een glimontlading die de spanning tot ongeveer 70 V laat dalen (punt B). De stroom bedraagt 0,1 tot 1,5 A. Neemt de stroom daarna verder toe, dan ontstaat er een vlamboogontlading die de spanning verder laat dalen tot ongeveer 15 V (B-C). Bij het dalen van de stroom zal de vlamboog bij 10 tot 100 mA doven. Via een korte glimfase komt de buis weer in de ruststand terug.
U kunt besluiten dat de spanning over het buisje heel laag wordt op het moment dat de gasontlading ontstaat.
Doorslagspanning in functie van de stijgtijd
De doorslagspanning van een edelgas gevulde overspanningsbeveiliging is in sterke mate afhankelijk is van de stijgtijd van de geïnduceerde bliksemspanning. Voor heel snelle pulsen, waarbij dus het product ∆u/∆t groot is, neemt de ontsteekspanning sterk toe. Dit is een gevolg van het feit dat de ionisatie van het gas een bepaalde tijd kost. Bij heel snel stijgende pulsen is de spanning dus tot een hoge waarde gestegen voordat het gas is geïoniseerd en doorslag optreedt.
De EC90X van EPCOS Inc.
De EC90X is een goed leverbare edelgas gevulde overspanningsbeveiliging van EPCOS Inc. U betaalt er ongeveer € 1,50 voor. De voornaamste specificaties van dit onderdeel:
- Aanspreekspanning bij 100 V/μs: 500 V
- Aanspreekspanning bij 1 kV/μs: 600 V
- Piekstroom gedurende 20 µs: 10 kA
- Piekstroom gedurende 1 s: 5 A
- Isolatieweerstand bij 50 Vdc: groter dan 1 GΩ
- Boogspanning bij 1 A: 12 V
- Glimspanning: 80 V
- Capaciteit: 1 pF
- Gewicht: 1,5 g
- Afmetingen: 6 mm lang bij 8 mm diameter
Belangrijke opmerking
Het buisje dooft pas als de spanning beneden de doofspanning komt. Bij wisselspanningen is dit geen probleem, maar bij gelijkspanningen die hoger zijn dan de doofspanning kan dit uiteraard problemen opleveren. Als de inwendige weerstand van de spanningsbron zo groot is dat de spanning bij de optredende stromen tot onder de doofspanning daalt, is er niets aan de hand. Is de spanningsbron echter zo laagohmig dat de overspanningsbeveiliging niet dooft, dan ontstaan er problemen. Door het in het buisje gegenereerde vermogen zal het gas opwarmen en de gasdruk kan dan zo hoog worden dat het buisje letterlijk explodeert! Vandaar dat het absoluut noodzakelijk is steeds een zekering in de schakeling op te nemen.
Vergelijkbaar met een zenerdiode
Deze diode is een speciale avalanche diode waarmee u spanning spikes kunt onderdrukken. Het voordeel van deze onderdelen is dat zij heel erg snel reageren op een spike, theoretisch zelfs binnen een paar picoseconden. Het nadeel is echter dat zij niet in staat zijn veel vermogen af te voeren.
Hoewel de spanning/stroom-karakteristiek van een TVS diode lijkt op die van een zenerdiode, zijn deze onderdelen eerder ontworpen voor spanningsonderdrukking dan voor spanningsregeling. Om hoge transiënte elektrische stromen te kunnen absorberen worden deze diodes ontworpen met een grote junctie-dwarsdoorsnede. Er worden unidirectionele en bidirectionele TVS diodes aangeboden. De eerste soort is ideaal voor het onderdrukken van stoorspanningen op unipolaire digitale lijnen. De spanning/stroom-karakteristiek van beide soorten TVS diodes zijn voorgesteld in de onderstaande figuur.
De werking
Onder normale bedrijfsomstandigheden presenteert de TVS diode een hoge impedantie aan het beveiligde circuit, maar wanneer de doorslagspanning van de diode wordt overschreden, komt het onderdeel in een lawine-modus terecht die een pad met een zeer lage impedantie naar de aarde vormt. Op deze manier wordt de transiënte spanning afgevoerd door een korte, maar zeer krachtige stroom door de diode. De TVS diode keert, na het afnemen van de stroomstoot, weer terug naar een toestand met een hoge impedantie.
Transzorb of Transil
Soms worden deze onderdelen ook 'Transzorb' of 'Transil' genoemd. Dat zijn twee namen waaronder TVS diodes in de handel worden gebracht.
 |
| Het uiterlijk en het symbool van een edelgas gevulde overspanningsbeveiliging. (© 2023 Jos Verstraten) |
De karakteristiek van een edelgas gevulde overspanningsbeveiliging
Het onderdeel maakt gebruik van de eigenschappen van een gasontlading. In de onderstaande figuur is aan de hand van een sinus het gedrag van een edelgas gevulde overspanningsbeveiliging weergegeven. In de bovenste grafiek is de spanning over het onderdeel getekend, in de onderste de stroom door het buisje. Is de spanning gestegen tot de ontsteekspanning (punt A), dan ontstaat er een glimontlading die de spanning tot ongeveer 70 V laat dalen (punt B). De stroom bedraagt 0,1 tot 1,5 A. Neemt de stroom daarna verder toe, dan ontstaat er een vlamboogontlading die de spanning verder laat dalen tot ongeveer 15 V (B-C). Bij het dalen van de stroom zal de vlamboog bij 10 tot 100 mA doven. Via een korte glimfase komt de buis weer in de ruststand terug.
U kunt besluiten dat de spanning over het buisje heel laag wordt op het moment dat de gasontlading ontstaat.
 |
| Spanning over en stroom door een edelgas gevulde overspanningsbeveiliging. (© 1987 elektuur, edit 2023 Jos Verstraten) |
Doorslagspanning in functie van de stijgtijd
De doorslagspanning van een edelgas gevulde overspanningsbeveiliging is in sterke mate afhankelijk is van de stijgtijd van de geïnduceerde bliksemspanning. Voor heel snelle pulsen, waarbij dus het product ∆u/∆t groot is, neemt de ontsteekspanning sterk toe. Dit is een gevolg van het feit dat de ionisatie van het gas een bepaalde tijd kost. Bij heel snel stijgende pulsen is de spanning dus tot een hoge waarde gestegen voordat het gas is geïoniseerd en doorslag optreedt.
 |
| Invloed van de stijgtijd op de doorslagspanning. (© 2023 Jos Verstraten) |
De EC90X van EPCOS Inc.
De EC90X is een goed leverbare edelgas gevulde overspanningsbeveiliging van EPCOS Inc. U betaalt er ongeveer € 1,50 voor. De voornaamste specificaties van dit onderdeel:
- Aanspreekspanning bij 100 V/μs: 500 V
- Aanspreekspanning bij 1 kV/μs: 600 V
- Piekstroom gedurende 20 µs: 10 kA
- Piekstroom gedurende 1 s: 5 A
- Isolatieweerstand bij 50 Vdc: groter dan 1 GΩ
- Boogspanning bij 1 A: 12 V
- Glimspanning: 80 V
- Capaciteit: 1 pF
- Gewicht: 1,5 g
- Afmetingen: 6 mm lang bij 8 mm diameter
Belangrijke opmerking
Het buisje dooft pas als de spanning beneden de doofspanning komt. Bij wisselspanningen is dit geen probleem, maar bij gelijkspanningen die hoger zijn dan de doofspanning kan dit uiteraard problemen opleveren. Als de inwendige weerstand van de spanningsbron zo groot is dat de spanning bij de optredende stromen tot onder de doofspanning daalt, is er niets aan de hand. Is de spanningsbron echter zo laagohmig dat de overspanningsbeveiliging niet dooft, dan ontstaan er problemen. Door het in het buisje gegenereerde vermogen zal het gas opwarmen en de gasdruk kan dan zo hoog worden dat het buisje letterlijk explodeert! Vandaar dat het absoluut noodzakelijk is steeds een zekering in de schakeling op te nemen.
Transiënt Voltage Suppressor diodes (TVS)
Vergelijkbaar met een zenerdiode
Deze diode is een speciale avalanche diode waarmee u spanning spikes kunt onderdrukken. Het voordeel van deze onderdelen is dat zij heel erg snel reageren op een spike, theoretisch zelfs binnen een paar picoseconden. Het nadeel is echter dat zij niet in staat zijn veel vermogen af te voeren.
Hoewel de spanning/stroom-karakteristiek van een TVS diode lijkt op die van een zenerdiode, zijn deze onderdelen eerder ontworpen voor spanningsonderdrukking dan voor spanningsregeling. Om hoge transiënte elektrische stromen te kunnen absorberen worden deze diodes ontworpen met een grote junctie-dwarsdoorsnede. Er worden unidirectionele en bidirectionele TVS diodes aangeboden. De eerste soort is ideaal voor het onderdrukken van stoorspanningen op unipolaire digitale lijnen. De spanning/stroom-karakteristiek van beide soorten TVS diodes zijn voorgesteld in de onderstaande figuur.
 |
| De I = f(U) karakteristiek van beide soorten TVS diodes. (© 2023 Jos Verstraten) |
De werking
Onder normale bedrijfsomstandigheden presenteert de TVS diode een hoge impedantie aan het beveiligde circuit, maar wanneer de doorslagspanning van de diode wordt overschreden, komt het onderdeel in een lawine-modus terecht die een pad met een zeer lage impedantie naar de aarde vormt. Op deze manier wordt de transiënte spanning afgevoerd door een korte, maar zeer krachtige stroom door de diode. De TVS diode keert, na het afnemen van de stroomstoot, weer terug naar een toestand met een hoge impedantie.
Transzorb of Transil
Soms worden deze onderdelen ook 'Transzorb' of 'Transil' genoemd. Dat zijn twee namen waaronder TVS diodes in de handel worden gebracht.
De 8/20 μs specificatie
In de datasheets van TVS diodes zult u vaak de kreet '8/20 μs' tegenkomen. Wat betekent dit? In het normenblad IEC 61000-4-5 wordt gespecificeerd dat een TVS diode binnen 8 μs 100 % van zijn maximale stroomcapaciteit moet hebben bereikt en na 20 μs moet terugvallen naar 50 % van die maximale stroom. Met de '8/20 μs specificatie' wordt aangegeven in hoeverre een specifieke TVS aan deze eis voldoet.
 |
| De betekenis van de '8/20 μs specificatie'. (© 2023 Jos Verstraten) |
NUP2105L en NUP1105L
Twee bekende TVS diodes zijn de NUP2105L en NUP1105L van ON Semiconductor. Deze onderdelen zijn speciaal ontwikkeld voor het beschermen van uni- en bidirectionele datalijnen tegen spanningstransiënten die kunnen ontstaan door bijvoorbeeld blikseminductie. Zij zitten in een SOT-23 behuizing en hebben de onderstaande specificaties:
- Piek vermogen: 350 W
- Breakdown spanning: 26,2 V tot 32 V
- Clamping spanning: 44 V bij 8 A
- Piekstroom: 8,0 A
- Capaciteit: 30 pF max.
- Lekstroom: 100 nA max.
 |
NUP2105L en NUP1105L in de praktijk. (© ON Semiconductor) |
Voltage Dependent Resistors (VDR)
Wat zijn het?
VDR's, ook wel varistoren genoemd, zijn weerstanden waarvan de waarde afhankelijk is van de spanning over de weerstand. De weerstand daalt naarmate de spanning over het onderdeel stijgt. VDR's kunt u gebruiken om onderdelen en schakelingen te beveiligen tegen spanningspieken, bijvoorbeeld op de voedingsspanning.
De fabricage
VDR's worden gemaakt met een metaaloxide poeder als basis. Kandidaten zijn zinkoxide, titaanoxide of siliciumcarbide. Dit poeder wordt gesinterd en geperst tussen twee elektroden.
De doorsnede van een VDR is getekend in de onderstaande figuur.
Het niet-lineaire verband tussen stroom en spanning kan als volgt worden verklaard. De soortelijke weerstand van het oxide is zeer laag. Tussen de grenzen van de korrels zit het bindmiddel en dit heeft een grote soortelijke weerstand. De doorslagspanning tussen twee korrels is echter vrij laag, namelijk ongeveer 3 V. Als de spanning over de VDR stijgt zullen steeds meer korrelgrenzen doorslaan. Een doorgeslagen grens betekent echter een plaatselijke verlaging van de soortelijke weerstand van het materiaal. Daardoor gaat de weerstand van de VDR dalen. Er komt nu steeds meer spanning te staan over de nog niet doorgeslagen korrelgrenzen. Er ontstaat een lawine-effect waardoor steeds sneller steeds meer korrelgrenzen doorslaan. De weerstand van het onderdeel daalt dus in een snel tempo.
 |
| De samenstelling van een VDR. (© 2023 Jos Verstraten) |
De stroom/spanning-karakteristiek van een VDR
De steilheid van de doorslag hangt in hoge mate af van het materiaal waaruit de VDR is gemaakt. In de onderstaande figuur wordt deze karakteristiek vergeleken van VDR's die zijn gemaakt uit zinkoxide (groen) en siliciumcarbide (rood).
 |
| De I = f(U) karakteristiek van twee VDR's. (© 2023 Jos Verstraten) |
De C-waarde van een VDR
Een belangrijke parameter van een VDR is de zogenaamde 'C-waarde'. Dat is de spanning die over de VDR ontstaat als er een stroom van 1 A door het onderdeel vloeit. Dit noemt men ook wel de 'genormaliseerde spanning'.
VDR's in de dagelijkse praktijk
U zult in de praktijk voornamelijk te maken krijgen met schijfvormige VDR's. Deze worden bijvoorbeeld vaak toegepast in de voedingen van apparaten, voornamelijk in beveiligingsschakelingen. Deze worden voorgesteld in onderstaande figuur. Er bestaan diverse reeksen:
- Een reeks met een diameter van ongeveer 14,5 mm, deze reeks kan 0,8 W dissiperen en bevat 12 weerstandswaarden met C-waarden tussen 18 V en 900 V.
- Een reeks met een diameter van ongeveer 42,5 mm, deze reeks kan 3 W dissiperen en bevat 13 weerstandswaarden met C-waarden tussen 14 V en 980 V.
 |
| Schijfvormige VDR's worden in de dagelijkse praktijk het meest gebruikt. (© 2023 Jos Verstraten) |
Thyristor Surge Protection Devices (TSPD)
Wat zijn het?
Een TSPD worden ook wel 'Trisil' of 'Sidactor' genoemd, naar twee bekende merknamen voor dit soort onderdelen.
Een Thyristor Surge Protection Devices is een bidirectioneel werkend onderdeel, het gedraagt zich dus in beide richtingen op identieke manier. Het is in feite een spanningsgestuurde triac zonder gate, die doorslaat als de spanning tussen MT1 en MT2 de intern ingestelde spanningsdrempel overschrijdt.
Het is ook mogelijk om gated-versies van dit type beveiliger te maken. In dit geval wordt de gate aangesloten op een externe referentiespanning en slaat het onderdeel door als de spanning tussen de MT1 en MT2 een door de referentiespanning bepaalde waarde overschrijdt.
De TISP7260F3SL
Deze TSPD van Bourns kost ongeveer € 3,00 en heeft de onderstaande specificaties:
- Doorslagspanning: 260 V
- Restspanning na doorslag: 5 V
- Maximale continu stroom: 800 mA
- Maximale niet-repeterende piekstroom: 7,1 A
- Houdstroom: 150 mA
- Capaciteit: 17 pF tot 31 pF
- Lekstroom: 10 μA
 |
| De TISP7260F3SL van Bourns. (© Bourns) |
Bliksembeveiliging in de praktijk
Veel onbetrouwbare rotzooi in de handel
Omdat het voor de gebruiker in de praktijk heel moeilijk is de goede werking van een bliksembeveiliger te testen wordt er heel veel gerommeld op dit gebied. Voor veel geld worden beveiligde stopcontacten aangeboden, waar niet veel meer dan een gasgevuld buisje (en als het meevalt nog een zekering) in zit. Koop dus bij voorkeur producten van betrouwbare bekende merken!
ICIDU Bliksem Stop
'Plug in een geaard stopcontact en al uw waardevolle elektronische apparaten op dezelfde groep binnen tien meter zijn beschermd tegen blikseminslag, overspanning en spanningspieken.' beweert de fabrikant van dit apparaatje, dat met een richtprijs van € 15,00 door het leven gaat. Wij hebben zo'n apparaatje gekocht en het open gezaagd. De inhoud ziet u in de onderstaande foto. De groene kleur van de twee schijfjes identificeert deze onderdelen zonder enig misverstand als VDR's. Deze zijn geschakeld tussen de nul of fase en de aarding en tussen de fase en de nul. Heel verstandig is dat in serie met iedere VDR een thermische zekering van 120 °C is geschakeld. Dat zijn de witte onderdeeltjes. Die staan in goed thermisch contact met de VDR's, beide onderdelen zitten namelijk in een stukje krimpkous dat voor de foto is verwijderd. Als er iets mis gaat en een VDR wordt te warm, dan wordt deze dus automatisch uitgeschakeld. Tot slot vinden wij een seriekring van een 1N4004 diode, een weerstandje en een LED die tussen de fase en de nul is geschakeld. Dat brandende LED'je geeft dus aan dat de gebruikte wandcontactdoos wel degelijk op de netspanning staat.
 |
| De ICIDU Bliksem Stop. (© 2023 Jos Verstraten) |
Overspanningsbeveiligde tussenstekkers
Deze worden in groten getale aangeboden van alle mogelijke merken en tegen alle mogelijke prijzen. Een bekend merk is Brennenstuhl. U ziet in de onderstaande foto een voorbeeld van een dergelijke tussenstekker. Deze kost ongeveer € 15,00 en heeft een afvoercapaciteit van 13,5 kA. In de behuizing zit een gasgevulde overspanningsbeveiliging, twee VDR's en een thermische zekering.
 |
| Een beveiligde tussenstekker van Brennenstuhl. (© Brennenstuhl) |
De DFL-M-255 module van DEHN + SÖHNE GmbH
Dit is een kleine module die u in een netgevoed apparaat kunt inbouwen en optimale bescherming biedt tegen bliksemschade. U moet deze module bij de ingang van de netspanning aansluiten op de fase, de nul en de aarding. De module bevat twee VDR's, ieder met hun thermische zekering, en een edelgas gevulde overspanningsbeveiliging. In de module zit bovendien een klein zoemertje dat actief wordt als een van de thermische zekeringen doorslaat.
De belangrijkste specificaties van deze module:
- Nominale bedrijfsspanning: 255 V
- Nominale ontlaadstroom volgens het 8/20 µs schema: 1,5 kA
- Maximale ontlaadstroom volgens het 8/20 µs schema: 3,0 kA
- Reactietijd op differential mode overspanning: 25 ns max.
- Reactietijd op common mode overspanning: 100 ns max.
- Afmetingen: 30 mm x 50 mm x 11 mm
- Gewicht: 32 g
De prijs die men voor deze module vraagt is echter wel buiten alle proporties: € 91,99!
 |
| De DFL-M-255 module van DEHN + SÖHNE GmbH. (© DEHN + SÖHNE) |
De 7P.36.8.275.2003 module van Finder
Een soortgelijke, maar veel goedkopere module wordt geleverd door Finder. Voor deze module betaalt u slechts € 46,71. De voornaamste spec's van deze module:
- Nominale bedrijfsspanning: 275 V
- Nominale ontlaadstroom volgens het 8/20 µs schema: 3,3 kA
- Reactietijd op differential mode overspanning: 25 ns max.
- Reactietijd op common mode overspanning: 100 ns max.
- Afmetingen: 150 mm x 49 mm x 29 mm
 |
| De 7P.36.8.275.2003 module van Finder. (© Finder) |
Zelfbouw, wel of niet?
Inleiding
Als rechtgeaarde hobbyist meent u uiteraard dat u dergelijke moduletjes veel goedkoper zélf in elkaar kunt knutselen. Zuiver technisch bekeken is dat natuurlijk het geval. VDR's, thermische zekeringen en edelgas gevulde overspanningsbeveiligingen zijn voor een paar euro's te koop. Meer hebt u niet nodig! Denk echter aan uw verzekeringsmaatschappij! De kans dat deze uw geknutsel op dezelfde manier waardeert als industrieel gemaakte modules is vrijwel nihil. Als er brand of schade ontstaat in uw huis door een bliksemincident en de inspecteur komt er achter dat u zélf aan de slag bent gegaan is de vraag of hij/zij de oorzaak van de brand en/of schade niet aan uw geknutsel wil toeschrijven in plaats van aan de bliksem.
Een schakeling voor onderdrukking van differential mode overspanning
Dit soort overspanning komt het meeste voor en vandaar dat wij tóch een schema publiceren van een goede beveiliging tegen dit soort calamiteiten, zie onderstaande figuur. Deze schakeling laat de aarde buiten beschouwing, zodat deze beveiliging ook is toe te passen op apparatuur die met een tweelingsnoer wordt gevoed.
- Weerstanden R2 en R3
Deze weerstanden van 0,1 Ω vergroten de gelijkstroomweerstand van de netspanningsaanvoer, waardoor de twee overspanningsafleiders G1 en R1 hun werk beter kunnen verrichten. De waarde van de weerstanden is zo klein, dat de normale belasting nauwelijks invloed heeft. Per afgenomen ampère valt er immers een spanning van maar 0,2 V over de twee weerstanden. Ook het vermogen van de weerstanden is niet kritisch. Dergelijke lage waarden worden alleen als draadgewonden uitvoering verkocht en een vermogen van 1 W is voor de meeste praktische toepassingen meer dan genoeg. - Spoelen L1 en L2
Deze spoeltjes van 1 mH vergroten de zelfinductie van de netspanningsaanvoer, hetgeen zeer belangrijk is voor het goed onderdrukken van snelle spanningsimpulsen. De spoeltjes moeten natuurlijk wel in staat zijn de normale belastingsstroom te verdragen. - Condensator C1
Deze condensator vormt met de twee spoelen een effectief laagdoorlaat filter waardoor de snelle stoorimpulsen, die via de netspanning binnenkomen, al wat worden afgevlakt. Uiteraard moet deze condensator een rating van 400 V hebben! Hierdoor moeten G1 en R1 minder vaak in actie komen, hetgeen de levensduur van deze componenten verlengd. - Edelgas gevulde overspanningsbeveiliging G1
Deze moet een doorslagspanning van 500 V tot 600 V hebben. - VDR R1
VDR's van 300 Vac / 385 Vdc zijn dé standaard en voor minder dan twee euro's in ieder postorderbedrijf te koop. - Zekering F2
Deze buisvormige thermische zekering van 120 °C moet u in goed thermisch contact net de VDR monteren. Denk u er aan dat de zekering een werkspanning van 250 V moet kunnen verdragen? - Zekering F1
Dit is uiteraard de standaard glaszekering van 20 mm bij 5 mm. De waarde hangt natuurlijk af van de belasting die u op de bliksembeveiliging wilt aansluiten.
 |
| Tóch een schema van een zelfbouw bliksembeveiliging. (© 2023 Jos Verstraten) |
Owon XDM1041 USB Digitale Multimeter 55000
